CN110488503B - 一种光束能量分布可调的点环形激光输出结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光束能量分布可调的点环形激光输出结构，包括输入光纤和输出光纤，输入光纤与输出光纤通过拉锥匹配设置，呈内外套设的点环形结构；其中，输入光纤包括输入光纤纤芯及包绕于输入光纤纤芯外围的至少两层波导结构，且位于内层波导结构的折射率高于外层波导结构的折射率；输出光纤包括输出光纤纤芯及包绕于输出光纤纤芯外围的至少三层波导结构，多层波导结构依次包绕设置。该结构相比于几何光学整形结构简单，光纤点环形光斑输出稳定形强，对使用环境适应性强；可用于传统光纤激光器改造，无需额外增加其他光学器件；传输低损耗，可承受阈值功率高的特点；可灵活调整中心光斑与环装光斑的能量占比；输入光纤激光要求较低，适用面广。
Description
技术领域
本发明涉及一种光束能量调整结构，尤其涉及一种能量分布可调的点环形激光输出结构。
背景技术
激光一般都是高斯光束，即光束强度在空间上呈现高斯分布，这样的光束具备有中心能量强度高，沿径向方向按高斯轮廓强度逐渐下降的特征。在实际应用过程中，各领域往往不仅仅需要高斯光束，而会要求激光光束具有特定的要求，比如在能量分布上，具备平顶、环状等分布，在光束形状上，具有方形，圆形等形状。在高功率的激光应用过程中，高斯光束能量集中在中心部分，反而不利于能量的高效利用，所以实际应用过程中需要采用一些方法进行光束整形改变光束能量的输出，提升激光的应用水平。
光束能量的改变总体分为空间整形和光波导整形两种，现有的方法主要包括以下几种：
光阑法：如，多透镜阵列，以专利号为ZL201720793031.6的技术方案为例，该案中公布了通过依序放置的光纤、准直透镜、圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜，光束依序通过光纤、准直透镜、圆点形光斑聚焦透镜、圆锥透镜和环形光斑聚焦透镜后，得到点环形光斑的技术特征；再如，二元光学元件，位相板(2017年5月红外与激光工程第5期第46卷)，双折射透镜组和异形棱镜等等。以上方法多是利用空间光学进行激光光束整形，各具有不同的优缺点，总体而言，空间整形结构较大不利于工业化的高度集成，并且空间机械结构可靠性稍差。
扰模法(公告号为CN102866501A的一种光纤出射光斑强度均匀化扰模装置和公告号为CN100424494C的实现圆形光环强度均匀化的方法及光纤扰模器的技术方案均采用扰模法实现其技术效果)：即通过调整激光束中不同模式光的反射角度，来进行光束整形。例如通过柱矢量光束聚焦整形与涡旋光束聚焦整形相叠加的方式进行光束整形，其中，柱矢量光束聚焦整形通过控制径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的比例，可以在焦平面处改善光强分布，涡旋光束聚焦整形时涡旋光束是一种携带一定轨道角动量的光束，可以产生纵向的实心光强分布和横向的环形分布，这两种分量相互独立，可以进行光强的直接叠加，进行光束整形；以上两种聚焦整形优点在于能量利用率高，缺点在于只能在焦平面上进行光束整形，实际使用中不方便操作。
以上为光纤波导领域内进行激光光束整形几种方式，各具有不同的优缺点，总体而言操作和控制实现方法操作难度较高。因此，本领域技术人员致力于开发一种操作难度低的光波导设计方案，实现光束能量比例可调的点环形的分布。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光束能量分布可调的点环形激光输出结构，以解决背景技术中的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种光束能量分布可调的点环形激光输出结构，包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤与所述输出光纤通过拉锥匹配设置，呈内外套设的点环形结构；其中，所述输入光纤包括输入光纤纤芯及包绕于所述输入光纤纤芯外围的至少两层波导结构，且位于内层波导结构的折射率高于外层波导结构的折射率；所述输出光纤包括输出光纤纤芯及包绕于所述输出光纤纤芯外围的至少三层波导结构，多层波导结构依次包绕设置。
进一步的，所述输入光纤纤芯的数值孔径标记NA1，0.06≤NA1≤0.12；所述输入光纤纤芯的直径尺寸标记R1，20um≤R1≤200un。
进一步的，所述输入光纤的双包层波导结构为包绕在所述输入光纤纤芯外围的内包层以及包绕于所述内包层外的为的外包层，所述内包层与所述外包层的厚度尺寸标记D2，105um≤D2≤600um，直径尺寸标记为R2，R2＝R1+D2。
进一步的，所述输出光纤纤芯标记A，所述输出光纤纤芯的直径尺寸标记为RA，则20um≤RA≤100um。
进一步的，所述输出光纤的多层波导结构使用纯石英和掺氟下陷层，所述输出光纤的多层波导结构以所述输出光纤纤芯A为中心，由内而外至少包括包层B、包层C、包层D三层结构，其中，所述包层B贴近所述输出光纤纤芯的内层掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径标记为NA2，所述包层D远离所述输出光纤纤芯的外圈掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径标记为NA3，则NA2＜NA3。
进一步的，所述输入光纤纤芯数值孔径小于或等于所述包层D外圈掺氟层的数值孔径，即NA1≤NA3。
进一步的，所述输出光纤的多层波导结构中，所述包层B内圈掺氟层数值孔径0.06≤NA2≤0.12，所述包层D外圈的掺氟层数值孔径0.15≤NA3≤0.46。
进一步的，所述输出光纤的多层波导结构中，所述包层B的厚度尺寸标记为Db，包层C的厚度尺寸标记为Dc，包层D的厚度尺寸标记为Dd，则10um≤Db≤40um，40um≤Dc≤100um，20um≤Dd≤80um。
则，以输出纤芯A为中心，包层B的直径标记为RB＝RA+Db、包层C的直径标记为RC＝RA+Db+Dc、包层D的直径标记为RD＝RA+Db+Dc+Dd。
进一步的，制备该输出结构时，根据实际光束能量分配的需求，所述输入光纤的拉锥比控制为1～10，所述输出光纤拉锥控制为1～10。
进一步的，所述输入光纤和/或所述输出光纤采用均匀拉锥过度方式保证光纤的绝热拉锥，所述输出光纤与所述输入光纤熔接需模场适配，以提升高阶模导出率保证点环形输出光斑，减小激光损失率。
进一步的，在保证满足绝热拉锥的前提下，控制所述输入光纤的纤芯直径R1、所述内包层与所述外包层的直径R2、所述输出光纤纤芯直径RA、包层B直径RB、包层C直径RC、包层D直径RD，其中，控制R1≤RC，且控制RA/R1、RC/R1的比值来控制点环形激光输出的能量分布，其中，0.1≤RA/R1≤1.5、1≤RC/R1≤5。
进一步的，所述输入光纤与所述输出光纤同时拉锥匹配，或单独对任一所述输入光纤和所述输出光纤拉锥实现匹配，这两种方式均可以实现输出能量分布可调的点环形激光输出。
通过实施上述本发明提供的光束能量分布可调的点环形激光输出结构，具有如下技术效果：
(1)本发明相比于几何光学整形结构简单，光纤点环形光斑输出稳定形强，对使用环境适应性强；
(2)本发明可用于传统光纤激光器改造，无需额外增加其他光学器件；
(3)本发具有传输低损耗，可承受阈值功率高的特点；
(4)本发明点环形结构形成的激光光束，可灵活调整中心光斑与环状光斑的能量占比；
(5)本发明输入光纤激光要求较低，适用面广。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1为本发明实施方式中点环形光纤激光输出设计结构图；
图2为本发明实施方式中输出光纤结构示意图；
图3为本发明实施方式中输出光纤数值孔径分布示意图；
图4为本发明实施例1中输出光斑形状及能量分布情况图；
图5实本发明实施例2中输出光斑形状及能量分布情况图。
图中：
1、输入光纤；10、输入光纤纤芯；11、输入光纤包层；
2、输出光纤；20、输出光纤纤芯；21、包层B；22、包层C；23、包层D；24、包层E。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面采用具体实施方式详细描述本发明的技术方案。
如图1所示是一种光束能量分布可调的点环形激光输出结构，包括输入光纤1和输出光纤2，两者呈内外套设的点环形结构；输入光纤1与输出光纤2通过拉锥匹配设置，输入光纤1和/或输出光纤2采用均匀拉锥过度方式保证光纤的绝热拉锥，输出光纤2与输入光纤1熔接需模场适配，以提升高阶模导出率保证点环形输出光斑，减小激光损失率；在实际制备过程中，输入光纤1与输出光纤2同时拉锥匹配，或单独对任一输入光纤1和输出光纤2拉锥实现匹配，这两种方式均可以实现输出能量分布可调的点环形激光输出。
如图1所示，输入光纤1包括输入光纤纤芯10及包绕于输入光纤纤芯10外围的输入光纤包层11，输入光纤纤芯10的数值孔径标记NA1，0.06≤NA1≤0.12；输入光纤纤芯10的直径尺寸标记R1，20um≤R1≤200un；输入光纤包层11的直径尺寸标记D2，105um≤D2≤600um,输入光纤包层11的直径尺寸标记为R2，则R2＝R1+D2。
输入光纤包层11至少为两层波导结构，具体为包绕于输入光纤纤芯10外围的内包层和包绕于内包层外围的外包层，这样，使得内包层和外包层之间形成一个多模光波导层，耦合入输入光纤包层11的光波，经过内包层和外包层的反射进入纤芯区域，进行光波的传导；其中，外包层的折射率小于内包层的折射率，内包层的折射率小于输入光纤纤芯10的折射率；在实际制备过程中，除了内包层和外包层外，还可以在外包层外围设置一层保护层。
输出光纤2包括输出光纤纤芯20及包绕于输出光纤纤芯20外围的至少三层波导结构，如图2-3所示的输出光纤2采用四层波导结构依次包绕设置；图2-3中，输出光纤2的多层波导结构以输出光纤纤芯20为中心，由内而外至少包括包层B21、包层C22、包层D23和包层E24四层结构；其中，输出光纤纤芯20标记A，输出光纤纤芯20的直径尺寸标记为RA，则20um≤RA≤100um；输出光纤2的四层波导结构中，包层B21的厚度尺寸标记为Db，包层C22的厚度尺寸标记为Dc，包层D23的厚度尺寸标记为Dd，包层E24的厚度尺寸标记为De，则10um≤Db≤40um，40um≤Dc≤100um，20um≤Dd≤80um，30um≤De≤200um；以输出纤芯A为中心，包层B的直径标记为RB＝RA+Db、包层C的直径标记为RC＝RA+Db+Dc、包层D的直径标记为RD＝RA+Db+Dc+Dd。
制备输出光纤2的四层波导结构使用纯石英和掺氟下陷层，其中，包层B21贴近输出光纤纤芯20的内层掺氟层与输出光纤纤芯20形成的数值孔径标记为NA2，包层D23远离输出光纤纤芯20的外圈掺氟层与输出光纤纤芯20形成的数值孔径标记为NA3，则NA2＜NA3；输入光纤纤芯10数值孔径小于或等于包层D23外圈掺氟层的数值孔径，即NA1≤NA3；
特别的，输出光纤2的四层波导结构中，包层B21内圈掺氟层数值孔径0.06≤NA2≤0.12，包层D23外圈的掺氟层数值孔径0.15≤NA3≤0.46。
在制备该输出结构时，根据实际光束能量分配的需求，输入光纤1的拉锥比控制为1～10，输出光纤2拉锥控制为1～10。
在保证满足绝热拉锥的前提下，在制备过程中还需要控制输入光纤1的纤芯直径R1、内包层与外包层的直径R2、输出光纤纤芯20直径RA、包层B21直径RB、包层C22直径RC、包层D23直径RD、包层E24的直径RE，其中，控制R1≤RC，过程中可通过控制RA/R1、RC/R1的比值来控制点环形激光输出的能量分布，其中，比值控制范围为0.1≤RA/R1≤1.5、1≤RC/R1≤5。
下面通过几个实施例来具体表述实施效果。
实施例1：
在本实施例中，输入光纤纤芯10直径尺寸为50um，数值孔径为0.06，输入纤芯包层直径尺寸为400um，数值孔径为0.46，输入光纤包层11为包括内包层和外包层的光纤双包层结构；输出光纤纤芯20直径尺寸为20um，数值孔径为0.12，输出光纤2包层采用四层的多包层结构，四层包层结构的直径尺寸分别为25um、50um、60um和115um，输出光纤2包层的数值孔径为0.22,制备时输出光纤2采用均匀拉锥过度方式保证光纤的绝热拉锥，输出光纤2与输入光纤1的溶解形式采用异径熔接方式进行模场适配，以提升高阶模导出率保证点环形输出光斑，减小激光损失率。通过前述结构输出的光斑形状以及能量分布如图4所示。
实施例2：
在本实施例中，输入光纤纤芯10直径尺寸为50um，数值孔径为0.06，输入纤芯包层直径尺寸为400um，数值孔径为0.46，输入光纤包层11为包括内包层和外包层的光纤双包层结构；输出光纤纤芯20直径尺寸为70um，数值孔径为0.12，输出光纤2包层采用四层的多包层结构，四层包层结构的直径尺寸分别为90um、180um、220um和400um，输出光纤2包层的数值孔径为0.22,制备时输入光纤1与输出光纤2均采用均匀拉锥过度方式保证光纤的绝热拉锥，输出光纤2与输入光纤1的溶解形式采用同径熔接方式进行模场适配，以提升高阶模导出率保证点环形输出光斑，减小激光损失率。通过前述结构输出的光斑形状以及能量分布如图5所示。
需要补充说明的是，除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何用途或者适应性变化，这些用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求书指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围的前提下进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。
Claims (7)
1.一种光束能量分布可调的点环形激光输出结构，其特征在于，包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤与所述输出光纤通过拉锥匹配设置，呈内外套设的点环形结构；其中，所述输入光纤包括输入光纤纤芯及包绕于所述输入光纤纤芯外围的至少两层波导结构，且位于内层波导结构的折射率高于外层波导结构的折射率；所述输出光纤包括输出光纤纤芯及包绕于所述输出光纤纤芯外围的至少三层波导结构，多层波导结构依次包绕设置；
所述输出光纤的多层波导结构使用纯石英和掺氟下陷层，所述输出光纤的多层波导结构以所述输出光纤纤芯A为中心，由内而外至少包括包层B、包层C、包层D三层结构，其中，所述包层B贴近所述输出光纤纤芯的内层掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径标记为NA2，所述包层D远离所述输出光纤纤芯的外圈掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径标记为NA3，则NA2＜NA3；且所述输出光纤的多层波导结构中，所述包层B贴近所述输出光纤纤芯的内层掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径0.06≤NA2≤0.12，所述包层D远离所述输出光纤纤芯的外圈掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径0.15≤NA3≤0.46。
2.如权利要求1所述的输出结构，其特征在于，制备该输出结构时，根据实际光束能量分配的需求，所述输入光纤的拉锥比控制为1～10，所述输出光纤拉锥比控制为1～10。
3.如权利要求1所述的输出结构，其特征在于，所述输入光纤的双包层波导结构为包绕在所述输入光纤纤芯外围的内包层以及包绕于所述内包层外的为的外包层，所述内包层与所述外包层的厚度尺寸标记D2，105um≤D2≤600um，直径尺寸标记为R2，R2＝R1+D2。
4.如权利要求1所述的输出结构，其特征在于，所述输入光纤纤芯数值孔径NA1小于或等于所述包层D远离所述输出光纤纤芯的外圈掺氟层与所述输出光纤纤芯形成的数值孔径NA3，即NA1≤NA3。
5.如权利要求1所述的输出结构，其特征在于，所述输出光纤的多层波导结构中，所述包层B的厚度尺寸标记为Db，包层C的厚度尺寸标记为Dc，包层D的厚度尺寸标记为Dd，则10um≤Db≤40um，40um≤Dc≤100um，20um≤Dd≤80um；则，以输出纤芯A为中心，输出光纤纤芯的直径尺寸标记为RA，包层B的直径标记为RB＝RA+Db、包层C的直径标记为RC＝RA+Db+Dc、包层D的直径标记为RD＝RA+Db+Dc+Dd。
6.如权利要求5所述的输出结构，其特征在于，所述输入光纤和/或所述输出光纤采用均匀拉锥过度方式保证光纤的绝热拉锥，所述输出光纤与所述输入光纤熔接需模场适配，以提升高阶模导出率保证点环形输出光斑，减小激光损失率；且所述输入光纤与所述输出光纤同时拉锥匹配，或单独对任一所述输入光纤和所述输出光纤拉锥实现匹配，这两种方式均可以实现输出能量分布可调的点环形激光输出。
7.如权利要求3所述的输出结构，其特征在于，在保证满足绝热拉锥的前提下，控制所述输入光纤的纤芯直径R1、所述内包层与所述外包层的直径R2、所述输出光纤纤芯直径RA、包层B直径RB、包层C直径RC、包层D直径RD，其中，控制R1≤RC，且控制RA/R1、RC/R1的比值来控制点环形激光输出的能量分布，其中，0.1≤RA/R1≤1.5、1≤RC/R1≤5。
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